專利名稱：涂覆的金屬陶瓷切削刀具及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種涂覆的金屬陶瓷切削刀具，其特別用于對(duì)鑄鐵工件在高切削速度下的機(jī)械加工，所述鑄鐵工件如球墨鑄鐵(NCI)、小石墨鑄鐵(CGI)和灰口鑄鐵(GCI)。
背景技術(shù)：
使用金屬陶瓷刀具在鋼的最后工序中具有良好的結(jié)果，但是由于它們的脆性，在高生產(chǎn)率的機(jī)械加工操作中以及需要增加韌度的大的切割深度和大的進(jìn)料速度下不使用金屬陶瓷刀具。此外，金屬陶瓷刀具不用于鑄鐵的機(jī)械加工，特別是不用于粗加工操作的介質(zhì)中。
使用化學(xué)蒸氣沉積法(CVD)涂覆的硬質(zhì)合金切削刀具刀片來(lái)機(jī)械加工各種鑄鐵等級(jí)。也使用氮化硅基陶瓷切削刀具對(duì)灰口鑄鐵進(jìn)行機(jī)械加工。然而因?yàn)樘沾傻毒吒叩纳a(chǎn)成本，陶瓷刀具是昂貴的。因此希望如果可能的話用較不昂貴的刀具來(lái)取代陶瓷刀具。所述陶瓷刀具，例如基于氮化硅的刀具，很好地加工灰口鑄鐵，然而，在球墨鑄鐵中顯示出有限的刀具使用壽命。因而，常規(guī)的涂覆的硬質(zhì)合金刀具用在球墨鑄鐵領(lǐng)域中。
然而，各種加工產(chǎn)業(yè)需要比通過(guò)常規(guī)涂覆的硬質(zhì)合金獲得的刀具具有更高的生產(chǎn)率和更長(zhǎng)的刀具使用壽命的刀具。
用各種類型的硬質(zhì)CVD層涂覆的硬質(zhì)合金切削刀具已經(jīng)市售多年。這樣的刀具涂層通常是由一層Ti(C，N)和一層Al2O3堅(jiān)硬層組成的，其中Ti(C，N)是與硬質(zhì)合金相鄰的最內(nèi)層。仔細(xì)選擇單個(gè)層的厚度以適合不同的切削應(yīng)用和工件材料，例如鑄鐵和各種鋼等級(jí)。涂覆的硬質(zhì)合金刀具刀片可以用于各種類型的鋼和鑄鐵的連續(xù)的和間斷的切削操作。
US 6,007,909公開(kāi)了涂覆的切削刀具，其包括在Ti基碳氮化物金屬陶瓷體(cermet body)上的CVD的1-20μm厚的涂層，該刀具用于鋼切削，例如具有相對(duì)小切割深度的最后工序。所述涂層將具有100-800MPa的壓縮殘余應(yīng)力。
US 6,183,846公開(kāi)了一種涂覆的切削刀具，其包括在硬質(zhì)合金或金屬陶瓷的基礎(chǔ)材料表面上的硬涂層。該硬涂層包括在基礎(chǔ)材料上的內(nèi)層、在內(nèi)層上的中間層和在中間層上的外層。0.1-5μm厚的內(nèi)層由Ti的碳化物、氮化物、碳氮化物、羰基化物、碳-氮氧化物(carbo-oxinitride)或硼氮化物組成。中間層由5-50μm厚的Al2O3或0.5-20μm厚的ZrO2組成。5-100μm厚的外層由Ti的碳化物、氮化物、碳氮化物、碳-氧化物、碳-氮氧化物或硼氮化物組成。
EP 1643012A公開(kāi)了一種用于在800-1500m/min的切削速度、2-4mm的切削深度和0.3-0.7mm/rev的進(jìn)料速度下使用涂覆的硬質(zhì)合金切削刀具對(duì)金屬工件進(jìn)行高速機(jī)械加工的方法。所述切削刀具包括總厚度為25-75μm的單層或多層的涂層，和硬度＞1600HV3，優(yōu)選大于1700HV3的硬質(zhì)合金體。在灰口鑄鐵的機(jī)械加工中獲得最好的結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的一個(gè)目的是提供在高效切削球墨鑄鐵(NCI)和小石墨鑄鐵(CGI)方面優(yōu)良的切削刀具刀片。
現(xiàn)在已經(jīng)令人驚訝地發(fā)現(xiàn)包括厚涂層和金屬陶瓷體的切削刀具刀片對(duì)各種鑄鐵的高效切削方面是優(yōu)良的，所述鑄鐵例如為球墨鑄鐵(NCI)、小石墨鑄鐵(CGI)和灰口鑄鐵(GCI)，優(yōu)選球墨鑄鐵(NCI)和小石墨鑄鐵(CGI)的機(jī)械加工。所述涂層使用本領(lǐng)域已知的常規(guī)CVD或MT-CVD-技術(shù)沉積。


圖1表示本發(fā)明中具有涂層的刀片刀刃的橫斷面圖。
圖2表示在較大放大率下本發(fā)明的涂層和相鄰的金屬陶瓷體。
圖3表示在較大放大率下金屬陶瓷體的微觀結(jié)構(gòu)。
在圖2和圖3中A-Al2O3B-Ti(C，N)-層，包括粘合和過(guò)渡層C-金屬陶瓷體D-金屬陶瓷體具體實(shí)施方式

本發(fā)明涉及切削刀具刀片，其包括在Co和/或Ni粘結(jié)相中的包含Ti基碳氮化物的金屬陶瓷體和通過(guò)CVD-和/或MTCVD-方法沉積為碳化物、氮化物或氧化物或者其固溶體或其混合物的單層或多層和/或交替層的涂層。當(dāng)所述刀片具有平坦的前刀面，具有或不具有簡(jiǎn)易斷屑臺(tái)和Co-粘合相時(shí)，所述涂層的厚度為21-50μm，優(yōu)選25-50μm，更優(yōu)選為30-50μm和最優(yōu)選為35-50μm，或者當(dāng)?shù)镀哂?00-300μm寬和相對(duì)于前刀面10-25°角的前刀面刃帶(land)和Co和/或Ni粘合相時(shí)，涂層的厚度為10-50μm，優(yōu)選15-50μm，更優(yōu)選為21-50μm和最優(yōu)選為30-50μm。
所述金屬陶瓷刀片體(body)由大于50體積％的常規(guī)的基于立方晶系的Ti基碳氮化物相和粘合相的金屬陶瓷體組成，所述粘合相包括Co和/或Ni，優(yōu)選是Co，以及W或Mo的至少一種?？梢源嬖谟谒鼋饘偬沾审w中的其他元素是在金屬陶瓷切削刀具中常規(guī)使用的那些，例如Ta、Nb、V、Zr、Hf、Cr。所述粘合相的含量小于15重量％，優(yōu)選小于13重量％，最優(yōu)選小于10重量％，但是大于6.0重量％。含Ti的碳氮化物相的晶粒尺寸是0.5-4μm，優(yōu)選1-3μm。金屬陶瓷體的硬度為＞1650HV3，優(yōu)選＞1750HV3，最優(yōu)選＞1775HV3。硬度HV3指的是在3kg重量下測(cè)量的維氏硬度。
在一個(gè)實(shí)施方案中，所述涂層包括任意組合的至少一層一種或多種Ti、Zr和Hf的碳化物、氮化物、碳氮化物或羧基氮化物，或其混合物和至少一層氧化鋁，優(yōu)選α-氧化鋁。
在一個(gè)實(shí)施方案中，所述涂層由與金屬陶瓷體鄰近的第一層和與所述第一層相鄰的Al2O3第二層組成，與金屬陶瓷體鄰近的第一層厚度大于6μm，優(yōu)選大于10μm和最優(yōu)選大于20μm但是小于45μm，優(yōu)選小于30μm，該第一層包括一種或多種Ti、Zr和Hf的碳化物、氮化物、碳氮化物或羧基氮化物或其混合物中的至少一種，并且與所述第一層相鄰的Al2O3第二層厚度大于4μm，優(yōu)選大于5μm，最優(yōu)選大于15μm但是小于44μm，優(yōu)選小于25μm。
在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述涂層由四層組成與金屬陶瓷體相鄰的第一層，該第一層包括一種或多種Ti、Zr和Hf的碳化物、氮化物、碳氮化物或羧基氮化物或其混合物，其厚度為6-30μm，優(yōu)選6-15μm，與所述第一層相鄰的α-氧化鋁層，厚度為5-30μm，優(yōu)選5-15μm，與所述氧化鋁層相鄰的另一層，該另一層包括一種或多種金屬Ti、Zr和Hf的碳化物、氮化物、碳氮化物或羧基氮化物或其混合物或者是多層的形式，其厚度為3-30μm，優(yōu)選4-15μm，和與所述另一層相鄰的另外的α-氧化鋁層，厚度為3-40μm，優(yōu)選4-20μm。優(yōu)選地，所述第一層和/或所述另一層包含具有柱狀構(gòu)造的Ti(C，N)。
在本文中使用的所有厚度值包括薄的常規(guī)過(guò)渡層和粘合層或如TiN、Ti(C，N)、Ti(C，O)、Ti(C，N，O)和Ti(N，O)的上表面層和/或促進(jìn)隨后沉積層的粘附和/或相位控制的層。這些單個(gè)層的厚度為0.1-2μm。
在金屬陶瓷體中存在Ti的情況下，適合的是具有鄰近所述金屬陶瓷體的由Ti(C，O)組成的薄夾層，其厚度小于2μm以便阻止所述Ni擴(kuò)散進(jìn)入所述涂層。
優(yōu)選地，頂層是4-44μm，優(yōu)選5-25μm厚的Al2O3-層或＜2μm厚的TiN-層。該TiN-層可以通過(guò)已知的技術(shù)從前刀面機(jī)械地除去。在這種情況下，在前刀面上的該最外層是Al2O3而在間隙面上的是TiN。TiN-層的機(jī)械去除通過(guò)已知的方法，例如使用硬顆粒的噴砂處理而進(jìn)行。
在一些特定實(shí)施方案中，可以應(yīng)用一個(gè)或多個(gè)減小摩擦層作為最外層，例如鎢和/或鉬的硫化物層。
本發(fā)明也涉及上述涂覆的切削刀具刀片用于鑄鐵工件的機(jī)械加工的應(yīng)用，所述鑄鐵工件例如為球墨鑄鐵(NCI)、小石墨鑄鐵(CGI)和灰口鑄鐵(GCI)，所述機(jī)械加工的切削速度＞300m/min，優(yōu)選為400-1000m/min，最優(yōu)選為600-1000m/min，切削深度為2-8mm和進(jìn)料速度為0.2-0.7mm/rev。切削深度的尺寸是根據(jù)切削刀片的尺寸選擇的。對(duì)于較小的刀片，切削深度是2-4mm，對(duì)于較大的刀片，切削深度是2-8mm。
實(shí)施例實(shí)施例1具有根據(jù)表1化學(xué)組成的金屬陶瓷和硬質(zhì)合金基材A-D是使用常規(guī)的方法由粉末生產(chǎn)的，所述粉末被磨細(xì)、擠壓和燒結(jié)，用或不用隨后的研磨以制備成刀片形狀，ISO標(biāo)準(zhǔn)CNMA120416 T02020、CNMA120416-KR和CNMA160616 T02520和CNMA160616KR。此外，所述刀片還經(jīng)受機(jī)械刀刃表面磨損(mechanical edge honing)。
在這之后，使用本領(lǐng)域已知的方法清洗和涂覆所述刀片。涂層組分和厚度示于表2中。沉積兩層或四層包括Ti(C，N)和α-Al2O3的層。沉積Ti(C，N)以便獲得該層的柱狀晶粒結(jié)構(gòu)。這是通過(guò)使用已知的MT-CVD方法(MT-介質(zhì)溫度，CVD-化學(xué)蒸氣沉積)完成的，其中，除其它氣體之外，使用乙腈，CH3CN，作為氮源和碳源。氧化鋁層的上面涂覆TiN層。
在涂覆過(guò)程開(kāi)始時(shí)，在Ti(C，N)和Al2O3層之間的過(guò)渡區(qū)和在Al2O3涂覆過(guò)程結(jié)束時(shí)，也使用常規(guī)的方法。這些常規(guī)的方法導(dǎo)致形成＜2μm厚的由TiN、Ti(C，O)和/或Ti(C，N，O)組成的過(guò)渡層、粘合層或最外層。
所述最外層是＜2μm厚的TiN層，其通過(guò)已知的Al2O3顆粒噴砂技術(shù)從所述刀片的前刀面機(jī)械地去除。因此在所述前刀面上的最外層是Al2O3而在側(cè)面(flank side)上的最外層是TiN。此外噴砂處理在處理過(guò)的表面上產(chǎn)生更光滑的表面形貌。
表1以wt％表示的基材等級(jí)的化學(xué)組成基材

表2涂層的組成和厚度

*- CVD層，最接近基材**- Ti(C，N)層厚度也包括粘合層和過(guò)渡層、TiN、TiCO的厚度***- 涂層總厚度，其包括Ti(C，N)和Al2O3層、粘合層、過(guò)渡層和頂層實(shí)施例2型號(hào)CNMA120416T02020的刀片，其具有200μm寬和相對(duì)于前刀面20°角的前刀面刃帶，具有30μm的刀刃表面磨損(edge honing)(在未涂覆的刀片上測(cè)量的)，并且基材A、B、C、D具有涂層1、2、3、4、5，指定為A/1、A/2、A/3、A/4、A5、B5、C/2、C/3、D5，將該刀片進(jìn)行切削測(cè)試，外旋操作包括含有澆鑄表層的球墨鑄鐵(NCI)的4個(gè)圓盤的組件(package)。所述圓盤的直徑為250mm，它們通過(guò)反復(fù)過(guò)程(repeated passes)而機(jī)械加工成120mm的直徑。在機(jī)械加工32個(gè)圓盤組件之后測(cè)量切削刃的側(cè)面磨損寬度。作為參考，也使用市售的具有相同幾何結(jié)構(gòu)的Si3N4陶瓷刀片。
機(jī)械加工數(shù)據(jù)工件SS0727，球墨鑄鐵(NCI)。
操作類型外旋操作。
切削速度600m/min。
切削深度3mm。
進(jìn)料0.35mm/rev。
冷卻劑干燥操作。
結(jié)果

實(shí)施例3實(shí)施例3的完成是使用以和實(shí)施例2中相同的方法生產(chǎn)的刀片A/3、A/4、C/3、D5。刀片幾何結(jié)構(gòu)是CNMA120416-KR，具有平坦的前刀面，具有40μm的刀刃表面磨損(在未涂覆的刀片上測(cè)量的)。在灰口鑄鐵中，包括外旋操作的切削測(cè)試包括具有250mm直徑的4個(gè)圓盤的組件，將其通過(guò)反復(fù)過(guò)程而機(jī)械加工成120mm的直徑。在機(jī)械加工32個(gè)圓盤組件之后測(cè)量切削刃的側(cè)面磨損寬度。作為參考，也使用市售的具有相同幾何結(jié)構(gòu)的Si3N4陶瓷刀片。
切削數(shù)據(jù)工件SS0125，灰口鑄鐵(GCI)。
操作類型外旋操作。
切削速度850m/min。
切削深度3mm。
進(jìn)料0.35mm/rev。
冷卻劑干燥操作。
結(jié)果

實(shí)施例4實(shí)施例4的完成是使用以和實(shí)施例2中相同的方法生產(chǎn)的和具有相同幾何結(jié)構(gòu)的刀片A/2、A/3、A/4、C/3、B5、D5。在小石墨鑄鐵(CGI)中，包括外旋操作的切削測(cè)試包括具有250mm直徑的4個(gè)圓盤組件，其通過(guò)反復(fù)過(guò)程而機(jī)械加工成120mm的直徑。在機(jī)械加工32個(gè)圓盤組件之后測(cè)量切削刃的側(cè)面磨損寬度。
切削數(shù)據(jù)工件小石墨鑄鐵(CGI)。
操作類型外旋操作。
切削速度700m/min。
切削深度3mm。
進(jìn)料0.35mm/rev。
冷卻劑干燥操作。
結(jié)果


實(shí)施例5型號(hào)CNMA160616 T02520的刀片，其具有250μm寬和相對(duì)于前刀面20°角的前刀面刃帶，和具有30μm的刀刃表面磨損(在未涂覆的刀片上測(cè)量的)，并且基材A、B、C、D具有涂層1、2、3、4、5，指定為A/2、A/3、A/4、A5、B5、C/2、D5對(duì)該刀片進(jìn)行切削測(cè)試，外旋操作包括含有澆鑄表層的球墨鑄鐵(NCI)的4個(gè)圓盤組件。圓盤的直徑為250mm，它們通過(guò)反復(fù)過(guò)程而機(jī)械加工成120mm的直徑。在機(jī)械加工48個(gè)圓盤組件之后測(cè)量切削刃的側(cè)面磨損寬度。作為參考，也使用市售的具有相同幾何結(jié)構(gòu)的Si3N4陶瓷刀片。
機(jī)械加工數(shù)據(jù)工件SS0727，球墨鑄鐵(NCI)。
操作類型外旋操作。
切削速度600m/min。
切削深度6mm。
進(jìn)料0.40mm/rev。
冷卻劑干燥操作。
結(jié)果


由實(shí)施例2-5，明顯的是如果在金屬陶瓷體中的Co含量太高，如在(D/5)中那樣，將會(huì)在切削操作過(guò)程中發(fā)生切削刃的塑性變形，其對(duì)刀具性能產(chǎn)生消極作用。
在實(shí)施例2的具有在WC-Co基硬質(zhì)合金體上的涂層的刀片C/3(現(xiàn)有技術(shù))中觀察到的碎片，懷疑與在涂層中存在的CVD-冷卻裂縫有關(guān)。這樣的裂縫可能導(dǎo)致涉及涂層脫落的局部裂縫，其導(dǎo)致在工件和硬質(zhì)合金之間的早期反應(yīng)。在金屬陶瓷體上的涂層中不存在CVD冷卻裂縫。
由實(shí)施例2-4，也明顯的是在金屬陶瓷體上的更厚的CVD涂層比更薄的涂層導(dǎo)致切削刀具耐磨性的增加。
令人驚訝的是，盡管已知的金屬陶瓷的脆性，厚的CVD涂層仍可以用在具有堅(jiān)固的刀刃幾何結(jié)構(gòu)的金屬陶瓷體上，從而改進(jìn)在使用沒(méi)有邊裂縫的大切削深度以高生產(chǎn)率機(jī)械加工下工具的耐磨性。
權(quán)利要求
1.一種切削刀具刀片，其包括含有Co和/或Ni粘合相的金屬陶瓷體和通過(guò)CVD-和/或MTCVD-方法沉積的碳化物、氮化物或氧化物的單層或多層和/或交互層的涂層，其特征在于所述金屬陶瓷體包括大于50體積％的Ti基碳氮化物和小于15重量％，優(yōu)選小于13重量％，最優(yōu)選小于10重量％但是大于6重量％的Co和/或Ni粘合相，并且所述金屬陶瓷體在3kg負(fù)載下測(cè)量的維氏硬度，HV3，為＞1650HV3，優(yōu)選＞1750HV3，最優(yōu)選＞1775HV3，和當(dāng)所述刀片具有平坦的前刀面，有或沒(méi)有簡(jiǎn)易斷屑臺(tái)和Co粘合相時(shí)，所述涂層的厚度為21-50μm，優(yōu)選25-50μm，更優(yōu)選30-50μm，和最優(yōu)選35-50μm，或者當(dāng)所述刀片具有100-300μm寬和相對(duì)于前刀面10-25°角的前刀面刃帶(land)以及Co和/或Ni粘合相時(shí)，涂層的厚度為10-50μm，優(yōu)選15-50μm，更優(yōu)選21-50μm和最優(yōu)選30-50μm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的切削工具刀片，其特征在于所述Ti基碳氮化物相的晶粒尺寸為0.5-4μm，優(yōu)選1-3μm。
3.根據(jù)任一上述權(quán)利要求的切削刀具刀片，其特征在于所述涂層包括至少一層一種或多種Ti、Zr和Hf的碳化物、碳氮化物、羧基氮化物，或其混合物和至少一層氧化鋁，優(yōu)選α-氧化鋁。
4.根據(jù)任一上述權(quán)利要求的切削刀具刀片，其特征在于頂層為4-44μm，優(yōu)選5-25μm，和最優(yōu)選15-25μm的Al2O3。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的切削刀具刀片，其特征在于所述涂層由與金屬陶瓷體相鄰的第一層和與所述第一層相鄰的第二α-Al2O3層組成，與金屬陶瓷體相鄰的第一層厚度大于6μm，優(yōu)選大于10μm和最優(yōu)選大于20μm但是小于45μm，優(yōu)選小于30μm，該第一層包括一種或多種Ti、Zr和Hf的碳化物、氮化物、碳氮化物或羧基氮化物或其混合物中的至少一種，所述與所述第一層相鄰的第二α-Al2O3層厚度大于4μm，優(yōu)選大于5μm，最優(yōu)選大于15μm但是小于44μm，優(yōu)選小于25μm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的切削刀具刀片，其特征在于所述第一層包括Ti(C，N)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3的切削刀具刀片，其特征在于所述涂層包括與金屬陶瓷體相鄰的第一層，該第一層包括Ti或Zr或Hf的碳化物、氮化物、碳氮化物或羧基氮化物，其厚度為6-30μm，優(yōu)選6-15μm，與所述第一層相鄰的α-氧化鋁層，其厚度為5-30μm，優(yōu)選5-50μm，與所述氧化鋁層相鄰的另一層，該另一層包括一種或多種金屬Ti、Zr和Hf的碳化物、碳氮化物或羧基氮化物或其混合物，其厚度為5-30μm，優(yōu)選4-15μm和與所述另一層相鄰的另外的α-氧化鋁層，其厚度為5-30μm，優(yōu)選5-15μm。
8.根據(jù)任一上述權(quán)利要求的切削刀具刀片，其特征在于頂層為＜2μm的TiN。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的切削刀具刀片，其特征在于所述的薄TiN層是在間隙面上的最外層，并且在前刀面上的最外層是Al2O3。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9的涂覆的切削刀具刀片用于機(jī)械加工如球墨鑄鐵(NCI)、小石墨鑄鐵(CGI)和灰口鑄鐵(GCI)的鑄鐵工件的應(yīng)用，機(jī)械加工的切削速度＞300m/min，優(yōu)選為400-1000m/min，和最優(yōu)選為600-900m/min，切削深度為2-8mm，和進(jìn)料速度為0.2-0.7mm/rev。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種切削刀具刀片，其包括含有Co和/或Ni粘合相的金屬陶瓷體和通過(guò)CVD－和/或MTCVD－方法沉積的碳化物、氮化物或氧化物的單層或多層和/或交互層的涂層。當(dāng)所述刀片具有平坦的前刀面，有或沒(méi)有簡(jiǎn)易斷屑臺(tái)和Co粘合相時(shí)，所述涂層的厚度為21－50μm，或者當(dāng)所述刀片具有100－300μm寬和相對(duì)于前刀面10－25°角的前刀面刃帶和Co和/或Ni粘合相時(shí)，涂層的厚度為10－50μm。所述金屬陶瓷體包括大于50體積％的Ti基碳氮化物和小于15重量％但大于6重量％的Co和/或Ni粘合相，并且所述金屬陶瓷體在3kg負(fù)載下測(cè)量的維氏硬度，HV3，為＞1650HV3。本發(fā)明也涉及涂覆的切削刀具刀片用于機(jī)械加工鑄鐵工件的應(yīng)用，其切削速度＞300m/min，切削深度為2－8mm，和進(jìn)料速度為0.2－0.7mm/rev。
文檔編號(hào)B32B9/00GK101028751SQ20071008
公開(kāi)日2007年9月5日 申請(qǐng)日期2007年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月3日
發(fā)明者瑪麗安·米庫(kù)斯, 肯尼斯·韋斯特格倫, 萊夫·阿克松, 佩爾·莫滕松 申請(qǐng)人:山特維克知識(shí)產(chǎn)權(quán)股份有限公司